我功能高分子课件第一章总论

我功能高分子课件第一章总论第1页，共62页，2023年，2月20日，星期五高分子科学研究高分子化合物的合成、反应及机理等。研究高分子的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。研究聚合物加工成型的原理与工艺。PolymerScience重要的基础学科第2页，共62页，2023年，2月20日，星期五在科学的整体发展中：高分子科学处于多种学科的交汇点上，为其发展提供了良好的学科环境。

数学物理学工程学其它化学其它学科生命科学电子学高分子科学第3页，共62页，2023年，2月20日，星期五高分子材料的应用衣食行住用科技第4页，共62页，2023年，2月20日，星期五高分子具有许多优良性能，高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。塑料、橡胶、纤维、涂料、粘胶剂…几大类高分子材料己广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑、纺织等各个领域。功能高分子材料：导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等近年发展迅速，具有特殊功能。高分子材料的应用据统计，若人们对材料的需求是100%，其中高分子材料占60%。第5页，共62页，2023年，2月20日，星期五纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。根据性质和用途塑料纤维橡胶涂料胶粘剂功能高分子具有可逆形变的高弹性材料。涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料具有特殊功能与用途的精细高分子材料以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。高分子：天然高分子头发、指甲、蛋白质、羊毛、棉花、DNA等等第6页，共62页，2023年，2月20日，星期五常规高分子塑料橡胶纤维第7页，共62页，2023年，2月20日，星期五常规高分子粘胶剂涂料第8页，共62页，2023年，2月20日，星期五天然高分子第9页，共62页，2023年，2月20日，星期五多糖类、多肽类、核酸第10页，共62页，2023年，2月20日，星期五DNA分子的双螺旋结构deoxyribonucleicacid两股DNA长链像转圈的楼梯扶手架，围绕一个中心轴盘旋，走向相反，外侧为磷酸基团，内侧为四种碱基，通过碱基对(30亿)的氢键形成双螺旋结构。HOC、N：在碱基中C：在磷酸酯键中P第11页，共62页，2023年，2月20日，星期五H|H2N—C—COOH|RCOOH|H-NH—C—H|R+HCOOH||H2N—C—CONH—C—H||RR肽键

C，H，O，N，S蛋白质Protein第12页，共62页，2023年，2月20日，星期五涤纶做基料的风帆、热气球常规高分子材料合成高分子日用橡胶制品日化产品外包装腈纶毛织品第13页，共62页，2023年，2月20日，星期五第14页，共62页，2023年，2月20日，星期五塑料建材、产品包装、电缆护套第15页，共62页，2023年，2月20日，星期五工程塑料制品各种合成橡胶制品第16页，共62页，2023年，2月20日，星期五功能高分子材料赵文元、王亦军著第17页，共62页，2023年，2月20日，星期五

本课程的主要内容第一章功能高分子材料总论（简介）第二章反应型高分子材料第三章导电高分子材料第三章

电活性高分子材料第五章

高分子液晶材料第六章高分子功能膜材料第七章光敏高分子材料第八章吸附性高分子材料第九章医用高分子材料功能高分子的最新发展（功能高分子的纳米化和智能化）、讨论和总结第18页，共62页，2023年，2月20日，星期五考试成绩评定：1.平时成绩20%2.期中考试约30%3.期末考试约50%第19页，共62页，2023年，2月20日，星期五第一章功能高分子材料总论第20页，共62页，2023年，2月20日，星期五1.1功能高分子材料概述一、功能高分子材料的研究内容

功能高分子材料的主要研究内容包括：功能高分子材料的新的制备方法、物理化学性能表征、结构与性能关系及开发应用等四个方面。第21页，共62页，2023年，2月20日，星期五2、功能高分子材料研究的基本目的：研究高分子骨架、功能化基团、以及分子组成和材料宏观结构形态与材料功能之间的关系，为充分利用现有高分子材料功能和开发新型功能材料提供理论依据。1、功能高分子材料的研究、开发与利用对现有材料进行更新换代和发展新型功能材料具有重要意义。二、研究功能高分子材料的目的和意义

第22页，共62页，2023年，2月20日，星期五

功能高分子材料的发展可以追溯到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的研究和发展历史。但是作为一门独立完整的学科是从20世纪80年代开始的。功能高分子材料是目前国内外异常活跃的一个研究领域。每年都有大量的有关文献报道涌现。三、功能高分子材料的发展历程

第23页，共62页，2023年，2月20日，星期五四、功能高分子材料的分类方法

国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分特种和功能高分子材料的，具体可划分为8种类型。1.反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。2.光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。第24页，共62页，2023年，2月20日，星期五3.电性能高分子材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。4.高分子分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。5.高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。第25页，共62页，2023年，2月20日，星期五6.高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。7.医药用高分子材料，包括医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。8.高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。第26页，共62页，2023年，2月20日，星期五1.2功能高分子的结构与性能的关系

功能高分子化学的主要研究目的之一是:为现有材料的利用和新型功能材料开发提供理论依据。那么研究材料的性能与其结构的关系，即材料的构效关系就显得格外重要。只有了解了构效关系，才有可能为已有功能材料的改进和新型功能材料的研制提供设计方法。第27页，共62页，2023年，2月20日，星期五一、功能高分子材料的结构层次1、构成材料分子的元素组成

元素是构成任何化合物的基础，不同元素间电子结构和核结构的不同造成其性质的不同，如金属性、氧化还原性等，也是形成不同化学键的主要因素。因此，元素组成是影响材料性能最基本的因素之一。第28页，共62页，2023年，2月20日，星期五2、材料分子中的官能团结构

在有机化学中官能团是由分子中有限的元素种类，通过共价键组合成的特殊结构。官能团决定了分子的物理化学性质。因此，材料的许多物理化学性质也与官能团密切相关。第29页，共62页，2023年，2月20日，星期五3、聚合物的链段结构

作为聚合物大分子，分子结构中的一个重要部分是骨架的链段结构，聚合物一般都由结构相同或相似的结构片段连接而成，这种结构片段称为链段。链段结构主要影响材料的物理化学性质，同时，聚合物的链段结构对于反应型高分子的立体选择也非常重要。第30页，共62页，2023年，2月20日，星期五4、高分子的微观构象结构

高分子的微观构象结构主要取决于材料的分子间力，也与材料分子的周围环境有关。微观构象结构直接影响材料的渗透性、机械强度、结晶度、溶液粘度等。第31页，共62页，2023年，2月20日，星期五5、材料的超高分子结构和聚集态材料的超高分子结构和聚集态包括：分子的排列方式和晶态结构等。高分子液晶的性能在相当大程度上取决于分子的超分子结构和聚集态。

第32页，共62页，2023年，2月20日，星期五6、材料的宏观结构

宏观结构包括材料的立体形状、宏观尺寸、结合形式、复合结构等。许多有功能材料制备的的各种光电子器件、功能器件的功能都与其宏观结构密切相关。功能高分子材料的构效关系就是由上述结构的变化产生性能变化之间的因果关系。所以人们期待的特殊功能都与其上述结构相关联。因此，功能高分子材料的结构是功能高分子材料研究的基础部分。第33页，共62页，2023年，2月20日，星期五二、功能高分子材料构效关系分析1、官能团的性质与聚合物功能之间的关系

a、功能高分子材料性质主要取决于所含的官能团的。在这一类功能高分子材料的研究开发中都是围绕着官能团发挥的作用而展开的，这类材料主要是将功能小分子通过高分子化过程得到的，其性质主要依赖与结构中的官能团的性质。

着重讲述功能高分子与功能型小分子、普通聚合物之间相比较，产生的特殊构效关系的一般规律。第34页，共62页，2023年，2月20日，星期五

b、功能高分子材料性质取决于聚合物骨架与官能团协同作用

官能团的作用需要通过与高分子骨架的结合或者通过高分子骨架与其他官能团相互结合而发挥作用

c、官能团与聚合物骨架不能区分

官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，也就是说官能团是聚合物骨架的一部分，或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。

d、官能团在高分子材料中仅起辅助作用

除了上面三种情况以外，也有以聚合物骨架为完成所谓功能过程的主体，而所谓官能团仅仅起辅助效应.第35页，共62页，2023年，2月20日，星期五2、功能高分子材料中聚合物骨架的作用（1）、溶解度下降效应（2）、高分子骨架的机械支撑作用（3）、高分子骨架的模板效应（4）、高分子骨架的稳定作用（5）、高分子骨架的其他作用第36页，共62页，2023年，2月20日，星期五3、聚合物骨架的种类和形态对其性能的影响

根据聚合物的化学形态，可以将聚合物骨架主要分成两种，一种是线性聚合物，即聚合物有一条较长的主链，没有或较少分支；另一种是交联聚合物，是线性聚合物通过交联剂反应生成的网状大分子。这两种聚合物具有明显不同的物理化学性质，作为功能高分子材料的骨架，根据其使用范围不同，相互间具有各自的优缺点。第37页，共62页，2023年，2月20日，星期五三、高分子材料与功能相关的其他性质1、聚合物的溶胀和溶解性质2、聚合物的多孔性3、聚合物的渗透性4、功能高分子材料的稳定性

第38页，共62页，2023年，2月20日，星期五功能高分子材料的特点在于他们特殊的“功能”，因此在制备这些高分子材料的时候，分子设计成为十分关键的研究内容。

设计一种能满足一定需要的功能高分子材料是高分子化学研究的一项主要目标。具有良好性质与功能的高分子材料的制备成功与否，在很大程度上取决于设计方法和制备路线的制定。

1.3功能高分子的制备方法第39页，共62页，2023年，2月20日，星期五功能高分子材料的制备是通过化学或者物理的方法按照材料的设计要求将功能基与高分子骨架相结合，从而实现预定功能的。

从目前采用的制备方法来看，功能高分子材料的制备可归纳为以下四种类型：功能性小分子材料的高分子化已有通用高分子材料的功能化多功能材料的复合已有功能高分子材料的功能扩展

第40页，共62页，2023年，2月20日，星期五1、功能性小分子的高分子化(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合第41页，共62页，2023年，2月20日，星期五优点：生成的功能高分子功能基分布均匀聚合物结构可以通过聚合机理预先设计产物的稳定性较好缺点：在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应要求在反应中不破坏原有结构和功能当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响第42页，共62页，2023年，2月20日，星期五(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应

通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物。这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。发生加成聚合反应，开环聚合反应，缩聚反应以及氧化偶合反应。第43页，共62页，2023年，2月20日，星期五吡咯基、噻吩基Z为连接基团，R为功能型小分子第44页，共62页，2023年，2月20日，星期五

丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。第45页，共62页，2023年，2月20日，星期五

将含有环氧基团的低分子量双酚环氧树脂与丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯，这种单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。第46页，共62页，2023年，2月20日，星期五

除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办法。

第47页，共62页，2023年，2月20日，星期五该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子药物、固定化酶的制备方面有独到的优势。

(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子

材料结合第48页，共62页，2023年，2月20日，星期五用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化。缺点是在使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。第49页，共62页，2023年，2月20日，星期五例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，色泽略黄。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小时内可完全溶解释放。第50页，共62页，2023年，2月20日，星期五2.已有高分子材料的功能化(1)利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架(2)功能性小分子与聚合物共混

第51页，共62页，2023年，2月20日，星期五价格低廉的通用材料较容易地接上功能性基团来源丰富具有机械、热、化学稳定性可选材料的特点第52页，共62页，2023年，2月20日，星期五目前常见的品种聚苯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚丙烯酰胺聚环氧氯丙烷及其共聚物纤维素第53页，共62页，2023年，2月20日，星期五（1）利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架例子：

小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于稳定性不好，容易发生爆炸和失效，不便于储存。